一、引言人類活動與巖石工程（RockEngineering）遠(yuǎn)古石器，穴居約4700年前金字塔（146.5m)公元1600年火藥采礦19世紀(jì)鐵路隧道技術(shù)20世紀(jì)大型水電工程

巖石圈是人類賴以生存的主要載體，人類的大部分活動都是在巖石圈上進(jìn)行的：巖基、邊坡，地下洞室，隧道工程等南水北調(diào)，西氣東輸，三峽大壩工程

“高峽出平湖，當(dāng)驚世界殊”

經(jīng)典的巖石工程與事故災(zāi)害(Catastrophe)

2.1經(jīng)典巖石工程（金字塔，三峽工程，見上）:2.2.事故災(zāi)害:Malpasset壩，壩高66m，于1954年末建成并蓄水。1959年12月2日，壩基突然失穩(wěn)導(dǎo)致大壩潰決，僅右岸基礎(chǔ)部分有些殘壩。洪水沖出峽谷流速達(dá)20km/h，下游Frejus城鎮(zhèn)部分被毀，死亡421人，財產(chǎn)損失達(dá)300億法郎。（1）20世紀(jì)50年代末法國Malpasset拱壩的失事（2）60年代初意大利Vajont大壩水庫高邊坡的崩潰

意大利Vajont拱壩，壩高262m，于1959年建成，是當(dāng)時世界上最高的拱壩。1963年10月9日夜，由于大壩上游山體突然滑坡，約2.5億立方的山體瞬時涌入水庫，涌浪摧毀上游及下游一個小鎮(zhèn)與鄰近幾個村莊，造成約2500人死亡，整個災(zāi)害的持續(xù)時間僅僅5分鐘。這兩次事件促成了國際巖石力學(xué)學(xué)會（ISRM,InternationalSocietyforRockMechanics）在1963年于奧地利薩爾茨堡成立。

(1985年，中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會正式成立)。二、巖石力學(xué)學(xué)科的形成及定義

1951年，J.Stini和L.Müller等在Salzburg發(fā)起和舉行了以巖體力學(xué)為主題的第一次國際巖石力學(xué)討論會，為把工程地質(zhì)與力學(xué)相結(jié)合、為建立巖石力學(xué)這門邊緣學(xué)科跨出了重要的一步，并創(chuàng)辦了《GeologieundBauwesen》，1962年改名為《RockMechanics&RockEngineering》1956年4月，在美國的科羅拉多礦業(yè)學(xué)院舉行的一次專業(yè)會議上，開始使用“巖石力學(xué)”這一名詞，并由該學(xué)院匯編了“巖石力學(xué)論文集”。在論文集的序言中說：“它是與過去作為一門學(xué)科而發(fā)展起來的土力學(xué)，有著相似的概念的一門學(xué)科，對這種有關(guān)巖石的力學(xué)方面的學(xué)科，現(xiàn)取名為巖石力學(xué)”。1957年在巴黎出版的塔洛布爾（J.Talobre）的專著“巖石力學(xué)”是這方面較早的一本較系統(tǒng)的著作。其后，開始形成了不同的巖石力學(xué)學(xué)派（如法國學(xué)派，偏重于從彈塑性理論方面來研究；奧地利學(xué)派，偏重于地質(zhì)構(gòu)造方面來研究）。37年，首部巖石力學(xué)專著(秦巴列維奇)《巖石力學(xué)》具體而言，研究巖石在荷載作用下的應(yīng)力、變形和破壞規(guī)律以及工程穩(wěn)定性等問題。上述定義是把“巖石”看成固體力學(xué)中的一種材料，然而巖石材料不同于一般的人工制造的固體材料，它是一種典型的“連續(xù)介質(zhì)”，具有復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和賦存條件的天然地質(zhì)體。巖石力學(xué)的定義（RockMechanics)1964年5月美國地質(zhì)學(xué)會巖石力學(xué)專業(yè)委員會所下的定義為：“巖石力學(xué)是研究巖石的力學(xué)性狀（behavior）的一門理論和應(yīng)用的科學(xué)，它是固體力學(xué)的一個分支，是探討巖石對其周圍物理環(huán)境中力場反應(yīng)的學(xué)科?！比?、巖石力學(xué)理論的發(fā)展簡史初始階段(19世紀(jì)末~20世紀(jì)初)

巖石力學(xué)的萌芽時期A.Heim(1912)提出了靜水壓力的理論W.J.M.Rankine（朗肯）和A.H.ДИННИΚ(金尼克)地層壓力的修正理論，即經(jīng)驗理論階段(20世紀(jì)初~20世紀(jì)30年代)

該階段根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗提出了經(jīng)典的地壓理論，具有代表性的理論有：普羅托吉雅柯諾夫提出的自然平衡拱學(xué)說，即普氏理論．圍巖開挖后自然塌落成拋物線拱形，作用在支架上的壓力等于冒落拱內(nèi)巖石的重量，僅是上覆巖石重量的一部分．太沙基(K．Terzahi)理論

圍巖塌落成矩形，而不是拋物線型．優(yōu)點與缺點

上述理論在一定歷史時期和一定條件下還是發(fā)揮了一定作用的，但是圍巖的塌落并不是形成圍巖壓力的惟一來源，也不是所有的地下空間都存在塌落拱．圍巖和支護(hù)之間并不完全是荷載和結(jié)構(gòu)的關(guān)系問題，在很多情況下圍巖和支護(hù)形成一個共同承載系統(tǒng)，而且維持巖石工程的穩(wěn)定最根本的還是要發(fā)揮圍巖的作用．經(jīng)典理論階段(20世紀(jì)30年代~20世紀(jì)60年代)

巖石力學(xué)學(xué)科形成的重要階段彈性、塑性力學(xué)被引入，提出一些經(jīng)典的解析計算公式重視結(jié)構(gòu)面對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響形成圍巖與支護(hù)共同作用理論實驗方法的完善一系列巖石力學(xué)文獻(xiàn)和專著的出版巖體工程問題的解決形成了“連續(xù)介質(zhì)理論”和“地質(zhì)力學(xué)理論”兩大學(xué)派連續(xù)介質(zhì)理論

特點：以固體力學(xué)作為基礎(chǔ)，從材料的基本力學(xué)性質(zhì)出發(fā)來認(rèn)識巖石工程的穩(wěn)定問題。30年代，薩文(P.H.Савин)采用無限大板孔應(yīng)力集中的彈性解分析圍巖的應(yīng)力分布；50年代，彈塑性理論應(yīng)用于圍巖穩(wěn)定性研究；R.Fenner－J.Talobre公式和H.Kastner公式；應(yīng)用流變理論對隧洞圍巖的進(jìn)行粘彈性分析；S.Serta公式

不足：解析方法僅適合平面的圓形巷道，不能模擬開挖過程；由于巖體中節(jié)理、裂隙的存在，圍巖力學(xué)性質(zhì)參數(shù)和準(zhǔn)確的本構(gòu)關(guān)系難以確定。地質(zhì)力學(xué)理論

特點：，強(qiáng)調(diào)對巖體節(jié)理、裂隙的研究，重視巖體結(jié)構(gòu)面對巖石工程穩(wěn)定性的影響和控制作用。20年代，由德國人H.Cloos創(chuàng)立51年，J.Stini和L.Müller創(chuàng)立了“奧地利學(xué)派”：在理論方面，指出工程圍巖穩(wěn)定性與原巖應(yīng)力和開挖后巖體的力學(xué)強(qiáng)度變化密切相關(guān)，重視巖石工程施工過程中應(yīng)力、位移和穩(wěn)定性狀態(tài)的監(jiān)測，重視支護(hù)與圍巖的共同作用，特別重視利用圍巖自身的強(qiáng)度維持巖石工程的穩(wěn)定性在施工方面，提出了“新奧法”，符合現(xiàn)代巖石力學(xué)理論不足：過分強(qiáng)調(diào)節(jié)理、裂隙的作用，過分依賴經(jīng)驗，而忽視理論的指導(dǎo)作用現(xiàn)代發(fā)展階段(20世紀(jì)60年代－現(xiàn)在)

特點：用更為復(fù)雜多樣的力學(xué)模型分析巖石力學(xué)問題；把物理學(xué)、力學(xué)、系統(tǒng)工程、現(xiàn)代數(shù)理科學(xué)、現(xiàn)代信息技術(shù)等最新成果引入了巖石力學(xué)；電子計算機(jī)的廣泛應(yīng)用為流變學(xué)、斷裂力學(xué)、非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、數(shù)值方法、灰色理論、人工智能、非線性理論等在巖石力學(xué)與工程中的應(yīng)用提供了可能．從“材料”概念到“不連續(xù)介質(zhì)概念”是現(xiàn)代巖石力學(xué)的第一步突破；進(jìn)入計算力學(xué)階段是第二步突破；

有限元、邊界元、離散元、位移非連續(xù)法（DDA)和流行法非線性理論、不確定性理論和系統(tǒng)科學(xué)理論進(jìn)入實用階段，則是巖石力學(xué)理論研究及工程應(yīng)用的第三步意義更為重大的突破．

耗散結(jié)構(gòu)論、協(xié)同學(xué)、分叉和混沌理論，模糊數(shù)學(xué)、人工智能、灰色理論四、巖石力學(xué)中的幾個基本概念巖石(Rock)定義：巖石是組成地殼的基本物質(zhì)，它是由礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律凝聚而成的天然地質(zhì)體。巖石按照其成因可分為三類：巖漿巖，沉積巖和變質(zhì)巖，不同成因類型的巖石具有不同的物理力學(xué)性質(zhì)（自學(xué)、了解）。巖塊

自然地質(zhì)體的小塊巖石稱為巖塊。我們平時所稱的巖石，在一定程度上都是指巖塊。

實驗室通常用的巖石試件是由鉆孔獲取巖芯或在工程范圍內(nèi)用爆破或其他方法獲得的巖石碎塊加工而成。巖石試件通常是不包含有顯著弱面的、較均質(zhì)的巖石塊體，可看作連續(xù)介質(zhì)及均質(zhì)體。巖體

(RockMass)

巖體是指在一定地質(zhì)條件下，含有諸如節(jié)理、斷層、裂隙、層理、劈理等不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的復(fù)雜地質(zhì)體。巖石和巖體的重要區(qū)別就是巖體包含若干不連續(xù)面。由于不連續(xù)面的存在，巖體的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于巖石的強(qiáng)度。斷層（Fault）

褶皺

(Drape)

層理

(Lamina)

巖體結(jié)構(gòu)巖體結(jié)構(gòu)：包括結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體兩個基本要素。結(jié)構(gòu)面：巖體內(nèi)具有一定方向、延展較大、厚度較小的面狀地質(zhì)界面，包括物質(zhì)的分界面和不連續(xù)面。結(jié)構(gòu)體：被結(jié)構(gòu)面所包圍的完整巖石或隱蔽裂隙的巖石，由不同產(chǎn)狀的結(jié)構(gòu)面組合切割而形成的巖石塊體。結(jié)構(gòu)面對巖體結(jié)構(gòu)類型的劃分常起著主導(dǎo)作用。在研究結(jié)構(gòu)面時，一方面要注意結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度、密度及其延展性，另一方面還需注意結(jié)構(gòu)面的規(guī)模大小和它們之間的組合關(guān)系。中國科學(xué)院地質(zhì)研究所從巖體結(jié)構(gòu)角度提出了巖體結(jié)構(gòu)分類(P3,表1-1)。我國還有不少專門為工程目的的巖體分類。例如為建造地下隧道和洞室的圍巖分類(鐵路隧道規(guī)范分類、巖石地下建筑技術(shù)措施分類等)，都是以巖體結(jié)構(gòu)分類為基礎(chǔ)。

巖體結(jié)構(gòu)：由結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度和組合關(guān)系或結(jié)構(gòu)體的規(guī)模及排列形式?jīng)Q定的。巖體結(jié)構(gòu)類型的劃分反映出巖體的不連續(xù)性和不均一性特征。五、巖石力學(xué)的基本研究內(nèi)容(1)巖石、巖體的地質(zhì)特征

物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)面特征及其對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響巖體結(jié)構(gòu)及其力學(xué)特性巖體工程分類(2)巖石的物理、水理與熱力學(xué)性質(zhì)(3)巖石的基本力學(xué)性質(zhì)

變形、強(qiáng)度特征及力學(xué)指標(biāo)參數(shù)主要影響因素，包括加載條件、溫度、濕度等變形破壞機(jī)理及其破壞判據(jù)

(4)結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)(5)巖體力學(xué)性質(zhì)

巖體的變形、強(qiáng)度特征及其原位測試技術(shù)巖體力學(xué)參數(shù)的弱化處理與經(jīng)驗估計主要因素影響巖體中地下水賦存、運移規(guī)律及巖體的水力學(xué)特征(6)原巖應(yīng)力分布規(guī)律及其測量理論與方法

結(jié)構(gòu)面在法向壓應(yīng)力及剪應(yīng)力作用下的變形特征及參數(shù)確定結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度特征及其測試技術(shù)和方法(7)工程巖體的穩(wěn)定性(8)巖石工程穩(wěn)定性維護(hù)技術(shù)

包括巖體性質(zhì)的改善與加固技術(shù)等(9)新技術(shù)、新方法和新理論在巖石力學(xué)中的應(yīng)用(10)工程巖體的模型、模擬試驗及原位監(jiān)測技術(shù)

數(shù)值模型模擬物理模型模擬原位監(jiān)測可檢驗巖體變形與穩(wěn)定性分析成果的正確性在開挖作用下的應(yīng)力和位移分布特征、變形破壞特征、穩(wěn)定性分析與評價六、巖石力學(xué)的研究方法(1)

工程地質(zhì)研究方法

巖礦鑒定方法構(gòu)造地質(zhì)學(xué)及工程勘察方法水文地質(zhì)學(xué)方法(2)科學(xué)實驗方法（科學(xué)實驗是巖石力學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)）實驗室?guī)r石力學(xué)參數(shù)測試、模型試驗、現(xiàn)場巖體原位試驗及監(jiān)測技術(shù)、地應(yīng)力的測量和巖體構(gòu)造的測定等地質(zhì)構(gòu)造的勘測、大地層的力學(xué)測定新實驗技術(shù)：遙感技術(shù)、激光散斑和切層掃描技術(shù)、三維地震勘測成象和三維CT成象技術(shù)、微震技術(shù)等（3）數(shù)學(xué)力學(xué)分析方法

力學(xué)模型：剛體、彈性、塑性、流變、細(xì)觀、損傷、斷裂、塊體力學(xué)數(shù)值分析：有限差分法、有限元法、邊界元法、離散元法、無單元法、流形元法、不連續(xù)變形分析、和反演分析法等模糊聚類和概率分析：隨機(jī)分析、可靠度分析、靈敏度分析、趨勢分析、時間序列分析和灰色系統(tǒng)分析等模擬分析：光彈應(yīng)力分析、相似材料模型試驗、離心模型試驗(4)整體綜合分析方法

將實驗、理論和工程監(jiān)測以及經(jīng)驗相結(jié)合，利用信息、系統(tǒng)科學(xué)理論進(jìn)行計算機(jī)科學(xué)決策七、巖石力學(xué)的應(yīng)用范圍(1)水利水電工程

壩基及壩肩穩(wěn)定性、防滲加固理論和技術(shù)有壓和無壓引水隧道設(shè)計、施工及加固理論技術(shù)大跨度高邊墻地下廠房的圍巖穩(wěn)定及加固技術(shù)高速水流沖刷的巖石力學(xué)問題水庫誘發(fā)地震的預(yù)報問題庫岸穩(wěn)定及加固方法(2)采礦工程

露天采礦邊坡設(shè)計及穩(wěn)定加固技術(shù)井下開采中巷道和采場圍巖穩(wěn)定性問題，特別是軟巖巷道和深部開采地壓控制問題礦柱穩(wěn)定性及開采優(yōu)化設(shè)計問題(采場結(jié)構(gòu)、開采順序、開挖步驟等)設(shè)計問題礦井突水預(yù)測、預(yù)報及預(yù)處理理論和技術(shù)巖爆、煤與瓦斯突出及預(yù)處理理論和技術(shù)采空區(qū)處理及地面沉降問題巖石破碎問題(3)鐵道和公路建設(shè)工程線路邊坡穩(wěn)定性分析隧道設(shè)計和施工技術(shù)隧道施工中的地質(zhì)超前預(yù)報及處理隧道入口施工技術(shù)及洞臉邊坡角的確定和加固措施地鐵及過江隧道施工技術(shù)(4)土木建筑工程高層建筑地基處理與加固技術(shù)大型地下硐室與建筑空間設(shè)計、施工與加固地面建筑物沉降、傾斜和糾偏技術(shù)山坡及臨坡建筑物基礎(chǔ)滑坡監(jiān)測預(yù)報與防治技術(shù)(5)石油工程(6)海洋勘探與開發(fā)工程(7)核電站建設(shè)中核廢料處理技術(shù)(8)地層熱能資源開發(fā)技術(shù)問題(9)地震預(yù)報中的巖石力學(xué)問題(10)地下軍事工程及防護(hù)問題巖石應(yīng)力與滲透性及采油技術(shù)石油、天然氣運輸與儲存工程對環(huán)境的影響巖石力學(xué)與地球物理勘探綜合研究鉆探技術(shù)與井壁穩(wěn)定性第二章巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)本章內(nèi)容巖石的基本物理性質(zhì)；巖石的強(qiáng)度特性；巖石的變形特性；巖石的強(qiáng)度理論?；疽笳莆諑r石的基本物理性質(zhì)，理解巖石的變形性質(zhì)；掌握巖石的強(qiáng)度特性；掌握莫爾強(qiáng)度理論、庫倫—莫爾強(qiáng)度理論；了解格里菲斯理論；2025/10/933第二章巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)第一節(jié)基本物理性質(zhì)第二節(jié)巖石的強(qiáng)度特性第三節(jié)巖石的變形特性第四節(jié)巖石的強(qiáng)度理論主要內(nèi)容2025/10/934基本物理性質(zhì)一、巖石的孔隙性二、巖石的水理性三、巖石的抗凍性四、巖石的質(zhì)量指標(biāo)返回巖石含：固相、液相、氣相（孔隙）。

三相比例不同，物理性質(zhì)指標(biāo)也有所不同。聯(lián)系2025/10/935巖石的強(qiáng)度性質(zhì)一、巖石的單軸抗壓強(qiáng)度二、巖石的三軸抗壓強(qiáng)度三、巖石的抗剪強(qiáng)度四、巖石的抗拉強(qiáng)度返回巖石強(qiáng)度:巖石材料受力破壞時所能承受的最大荷載應(yīng)力本節(jié)討論[σ]問題工程師對材料提出兩個問題1.最大承載力——許用應(yīng)力[σ]？2.最大允許變形——許用應(yīng)變[ε]？試驗方法2025/10/936巖石的變形特性（彈，塑，粘）一、巖石在單軸壓縮作用下的變形特性（1）普通試驗機(jī)下的變形特性（2）剛性試驗機(jī)下的單向壓縮的變形特性二巖石在三軸壓應(yīng)力下的變形特性三、巖石的流變特性返回2025/10/937一、巖石的孔隙性：（一）孔隙比VV—孔隙體積(m3)

Vs

—巖石固體的體積(m3)（二）孔隙率V=VV+Vs返回——反映孔隙發(fā)育程度的指標(biāo)V—包含孔隙在內(nèi)的巖石體積(m3)2025/10/938二、巖石的水理性質(zhì)（一）含水性1、含水量：巖石孔隙中含水量(WW)與巖石烘干重量(Ws)比值的百分率

w=Ww/Ws×100％2、吸水率：干燥巖石試樣在一個大氣壓和室溫條件下吸入水的重量與巖石烘干重量之比吸水率是一個間接反映巖石內(nèi)孔隙多少的指標(biāo)W0－烘干巖樣浸水48h后的濕重(kN)含水性膨脹性軟化性滲透性耐崩解性Ws：在105-110°C溫度下烘干24小時的重量(kN)

2025/10/939（二）滲透性滲透性：在一定的水壓作用下，巖石的孔隙和裂隙透過水的能力，可用滲透系數(shù)來衡量。滲透系數(shù)是介質(zhì)對某種特定流體的滲透能力，取決于巖體物理特性和結(jié)構(gòu)特征，如孔隙和裂隙大小，開閉程度以及連通情況等大多滲透性可用達(dá)西（Darcy）定律描述：——水頭變化率；qx——沿x方向水的流量，m3/s

；h——水頭高度，m；A——垂直x方向的截面面積，m2；k——滲透系數(shù)，m/s。2025/10/940(四)軟化系數(shù)Rcw——飽和單軸抗壓強(qiáng)度；

Rc——干燥單軸抗壓強(qiáng)度；η

（η≤1）越小，表示巖石受水的影響越大(見表2-2）。軸向自由膨脹（%）

H——試件高度

徑向自由膨脹（%）

D——直徑

（三）巖石的膨脹性自由膨脹率：無約束條件下，浸水后膨脹變形與原尺寸之比2025/10/9412025/10/942(五)耐崩解性試驗時，將烘干的試塊，約500g，分成10份，放入帶有篩孔(2mm)的圓筒內(nèi)，使圓筒在水槽中以20r／min速度連續(xù)轉(zhuǎn)10分鐘，然后將留在圓筒內(nèi)的石塊取出烘干稱重。如此反復(fù)進(jìn)行兩次，按下式計算耐崩解性指數(shù)：殘留在筒內(nèi)的試件烘干質(zhì)量mR試驗前的試件烘干質(zhì)量(mS)耐崩解性指數(shù)是通過對巖石試件進(jìn)行烘干，浸水循環(huán)試驗所得的指標(biāo)。返回2025/10/943三、巖石的抗凍性抗凍性:巖石抵抗凍（脹）融破壞的性能，通常用抗凍系數(shù)表示。返回巖石的抗凍系數(shù)是指巖樣在±25℃的溫度區(qū)間內(nèi)，反復(fù)降溫、凍結(jié)、升溫、融解，其抗壓強(qiáng)度有所下降，巖樣抗壓強(qiáng)度的下降值與凍融前的抗壓強(qiáng)度之比：Cf—巖石的抗凍系數(shù)；Rcf—巖石凍融后的抗壓強(qiáng)度(kPa)2025/10/944密度比重1、巖石的密度：單位體積內(nèi)巖石的質(zhì)量。四、巖石的質(zhì)量指標(biāo)（1）天然密度：自然狀態(tài)下，單位體積質(zhì)量

M——巖石總質(zhì)量，kg；V——總體積，m3。（2）干密度：巖塊中的孔隙水全部蒸發(fā)后的單位體積質(zhì)量（108℃烘24h）

Ms——巖石烘干后的質(zhì)量，kg。2025/10/9452、巖石的比重：巖石固體烘干重量（WS）與4℃時同體積純水的重量比

VC——巖石實體部分(不包含孔隙）的體積；——一個大氣壓下4℃時水的重度

返回（3）飽和密度：巖石中的孔隙被水充填時的單位體積質(zhì)量（水中浸48小時）VV——孔隙體積ρW:一個大氣壓下4℃時水的密度(kg/m3)測定方法及適用條件：量積法、水中稱重法、蠟封法。2025/10/946一巖石的單軸抗壓強(qiáng)度1.定義：指巖石試件在單軸壓力作用下（無圍壓，只受軸向壓力）所能承受的最大壓應(yīng)力，也即是巖石在達(dá)到破壞時承受的最大軸向荷載P除以試件的橫截面積A。2.試驗方法：圓柱形試件：Ф4.8－5.2cm，高H=（2－2.5)Ф長方體試件：邊長L=4.8－5.2cm,高H=（2－2.5)L兩端面垂直于軸線±0.25o試件兩端不平度0.05mm；試件標(biāo)準(zhǔn)：試驗裝置：2025/10/9472025/10/9483.單向壓縮試件的常見破壞形態(tài)（1）單斜面剪切破壞：最常見的破壞方式（2）圓錐形破壞

原因：壓板兩端存在摩擦力，箍作用（又稱端部效應(yīng)），在工程中也會出現(xiàn)。（3）柱狀劈裂破壞巖石單向壓縮破壞的真實反映（消除了端部效應(yīng)）

產(chǎn)生的是張拉破壞（∵巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度）

消除端部約束方法：磨平端部、潤滑試件端部（如墊云母片；涂黃油在端部）、加長試件2025/10/9494.單軸抗壓強(qiáng)度的主要影響因素巖石自身的因素：

礦物成分、結(jié)晶程度、顆粒大小及膠結(jié)情況、風(fēng)化程度、含水情況和周圍環(huán)境（溫度、濕度）

層理和裂隙的特性和方向等；

含水量：含水量越大強(qiáng)度越低，巖石越軟越明顯；

溫度：180℃以下不明顯；大于180℃，溫度越高強(qiáng)度越小。

（跟巖性有關(guān)，深部巖體力學(xué)）2025/10/950（1）試件

形狀：圓形試件不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，好加工尺寸：寬度大于礦物顆粒的10倍（Ф50的依據(jù)），長度

不宜太長或太短，高徑比

h/d≥(2－2.5)較合理(受力均勻）（2）承壓板端部摩擦力試驗機(jī)剛度（3）加載速率

加載速率越大，表現(xiàn)強(qiáng)度越高(見圖2－5)(機(jī)理研究熱點）

我國規(guī)定加載速度為0.5－1.0MPa/s實驗方法上的因素：2025/10/951返回2025/10/952二巖石的三軸抗壓強(qiáng)度指在三向壓縮荷載作用下巖石所能承受的最大壓應(yīng)力。

2.三向壓縮試驗簡介（1）真三軸（2）常規(guī)三軸1.定義2025/10/9532025/10/9543.三軸壓縮試驗的破壞類型2025/10/955具體破壞形式的多樣化2025/10/9564.巖石三向壓縮強(qiáng)度的影響因素（1）側(cè)壓力的影響圍壓越大，軸向壓力越大2025/10/957（2）加載途徑對巖石三向壓縮強(qiáng)度影響

A、B、C三條虛線是三個不同的加載途徑，加載途徑對巖石的最終三軸壓縮強(qiáng)度影響不大（？）。2025/10/958（3）孔隙水壓力對巖石三向壓縮強(qiáng)度的影響孔隙水壓力使有效應(yīng)力（圍壓）減小強(qiáng)度降低返回2025/10/959三巖石的抗剪強(qiáng)度1.定義

在剪切荷載作用下達(dá)到破壞前所能承受的最大剪應(yīng)力2.常用試驗方法直接剪切試驗角模壓剪試驗2025/10/960直接剪切試驗A—試樣的剪切面面積。

給定不同的σ(或P）進(jìn)行多次試驗，求出不同的τ，近似直線得：

tanφ－巖石抗剪切內(nèi)摩擦系數(shù)；（φ－內(nèi)摩擦角）

c－巖石的粘聚力1.2.2025/10/961角模壓剪試驗fPQNαQNPα其中，P——壓力機(jī)的總壓力

α——試件傾角

f——圓柱形滾子與上下壓板的摩擦系數(shù)

①試驗裝置:楔形剪切儀②荷載計算公式③剪切破壞面上的正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ：其中，A剪切面面積2025/10/962巖石的抗剪斷σ－τ曲線（強(qiáng)度曲線）

tanφ－巖石抗剪切內(nèi)摩擦系數(shù)

c－巖石的粘聚力返回做一組（大于5次）不同α的試驗，記錄所得的σ,τ值；由該組值作曲線,近似直線得方程改變夾具傾角α：30度～70度2025/10/963四巖石的抗拉強(qiáng)度定義：在單軸拉力作用下巖石試件抵抗破壞的極限能力，在數(shù)值上等于破壞時的最大拉應(yīng)力。直接拉伸法間接拉伸法2.

拉伸試驗方法拉伸試驗方法巴西劈裂法點荷載法計算公式不同（不易成功）2025/10/964直接拉伸試驗方法應(yīng)力集中兩端破壞（強(qiáng)度)夾持力，聯(lián)結(jié)力不足從中拔出應(yīng)力集中兩者變形？高強(qiáng)度水泥高強(qiáng)度樹脂兩者膠結(jié)力變形是否協(xié)調(diào)2025/10/965巴西劈裂法（對稱徑向壓裂法）

由巴西人Hondros提出實驗思想：徑向壓縮導(dǎo)致劈裂,注意：接觸并非單線接觸，有一定接觸面積（弧高≤1/20D）試件：實心圓柱Φ50mm;δ25mm換圖蔡拉伸破壞研究熱點：平臺加載加載速度

σt:試件中心的最大拉應(yīng)力，即RtD:試件的直徑t:試件的厚度δ試驗要求:①沿平行于軸線的一條邊緣線均勻加載②破壞面必須通過試件直徑2025/10/966點荷載試驗法

是上世紀(jì)發(fā)展起來的一種簡便的現(xiàn)場試驗方法。試件：任何形狀（優(yōu)點），尺寸大致50mm，不做任何加工。試驗：直接放到現(xiàn)場的點荷載儀上，加載劈裂破壞。計算：I——點荷載強(qiáng)度指標(biāo)P——試件破壞時的極限荷載y

——加載點試件的厚度統(tǒng)計公式：要求:由于離散性大，每組15個，取均值

建議：用Ф50mm的鉆孔巖芯為試件。返回2025/10/967第三節(jié)巖石的變形特性彈性：物體受外力作用瞬間即產(chǎn)生全部變形，卸載后立即恢復(fù)原有形狀和尺寸的性質(zhì)塑性：物體受力后產(chǎn)生變形，在卸載后變形不能完全恢復(fù)的性質(zhì)粘性：物體受力后變形不能瞬時完成，且應(yīng)變速率隨應(yīng)力增加而增加的性質(zhì)，又稱為流變性（蠕變，松弛，彈性后效）。屈服極限1.基本概念：η：粘性系數(shù)2025/10/9682.

基本力學(xué)模型：

1、彈性模型

2、理想塑性

3、粘性模型

η—粘性系數(shù)（poise；poise=0.1N·S/m2）變形與時間無關(guān)卸載后是否有殘余變形變形與時間有關(guān)無有變形特性(σ0

：屈服應(yīng)力)2025/10/9693.

基本元件2025/10/9702025/10/971η牛頓粘性系數(shù)；單位:泊。1posie=0.1N·s/m2返回2025/10/972一、巖石在單軸壓應(yīng)力作用下的變形特性1、典型的巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線（一）普通試驗機(jī)下的變形特性特點：①σ1－ε1曲線，應(yīng)變率隨應(yīng)力增加而減??；②塑性變形（變形不可恢復(fù)）原因：微裂隙閉合（壓密）a.分三個階段:1）原生微裂隙壓密階段（OA）特點：①σ1－ε1

曲線是直線；②彈性模量，E為常數(shù)（變形可恢復(fù)）原因：巖石固體部分變形，B點開始屈服，B點對應(yīng)的σB應(yīng)力為屈服極限，超過B點卸載有塑性變形。2）彈性變形階段（AB）3）彈塑性（非線性）變形階段（BC）特點：①σ1－ε1

曲線；②有塑性變形產(chǎn)生，變形不可恢復(fù)；③應(yīng)變速率不斷增大。原因：新裂紋產(chǎn)生，原生裂隙擴(kuò)展。脆性：應(yīng)力超出屈服應(yīng)力后，并不呈現(xiàn)出明顯的塑性變形而破壞，即為脆性破壞。巖石越硬，BC段越短，脆性行為越明顯。注意：半程壓縮曲線2025/10/9731.直線或近似直線（彈性體）2.曲線向下彎曲（彈塑性體）3.初向上彎曲后直線（塑-彈性體）4.曲線似S型（塑-彈-塑性體）5.初小段直線后進(jìn)入非彈性的曲線部分（彈-粘性體）b.實際應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分成五類:2025/10/974c.彈性常數(shù)的確定

彈性模量國際巖石力學(xué)學(xué)會（ISRM）建議三種方法

切線模量

()

割線模量()

變形模量

()

2025/10/9752、巖石加、卸載特性2025/10/9763、循環(huán)加卸載曲線特點：①多次反復(fù)加、卸載，變形曲線與單調(diào)加載曲線上升總趨勢保持一致（巖石的“變形記憶功能”）。②卸載應(yīng)力(超過屈服點）越大，塑性滯回環(huán)越大（原因：裂隙的擴(kuò)大，能量的消耗）；2025/10/977等荷載循環(huán)加、卸載時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特點：①隨著循環(huán)次數(shù)增多，塑性滯回環(huán)愈來愈窄，直到?jīng)]有塑性變形為止。②當(dāng)循環(huán)應(yīng)力峰值低于某一臨界應(yīng)力時，多次循環(huán)不會導(dǎo)致試件破壞；③當(dāng)超過臨界應(yīng)力時，會發(fā)生疲勞破壞?！ㄆ趶?qiáng)度）返回2025/10/9781）剛性試驗機(jī)工作原理壓力機(jī)加壓（貯存彈性能）巖石試件達(dá)峰值強(qiáng)度（釋放應(yīng)變能）導(dǎo)致試件崩潰。AA′O2O1面積——峰值點后，巖塊產(chǎn)生微小位移所需的能。ABO2O1——峰值點后，普通機(jī)釋放的能（貯存的能）。ACO2O1面積——峰值點后，剛體機(jī)釋放的能（貯存的能）。（二）剛性試驗機(jī)下巖石單向壓縮變形特性普通試驗機(jī)得到峰值前的變形特性，多數(shù)巖石在峰值后工作。2025/10/9792）應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程曲線形態(tài)

分四個階段：前3階段同普通試驗機(jī)，第4階段為應(yīng)變軟化階段

第4階段特點：①CD段：破裂巖塊相互咬合成整體狀而承載，原生和新生裂隙相互交叉、聯(lián)合形成宏觀斷裂面，承載力隨應(yīng)變增加而減少（軟化現(xiàn)象）。

②到達(dá)D點以后，靠碎塊間的摩擦力承載，稱為殘余應(yīng)力。全程壓縮曲線2025/10/980③C點后有殘余應(yīng)變，反復(fù)加卸載時，隨變形增加，塑性滯環(huán)的斜率降低。④

C點后，可能會出現(xiàn)壓應(yīng)力下的體積增大現(xiàn)象，稱此為擴(kuò)容現(xiàn)象.2025/10/981巖石的體積應(yīng)變特性在壓力作用下，巖石發(fā)生非線性體積變形可分為三個階段：1體積減小階段：彈性階段內(nèi)，體積變形呈線性變化。2體積不變階段：巖石體積雖有變形，但應(yīng)變增量接近于零，即巖石體積大小幾乎沒變化。3擴(kuò)容階段：在塑性段及峰后區(qū)，主要是由于裂隙產(chǎn)生、貫穿、滑移、錯動、甚至張開造成。一般巖石：μ=0.15-0.35，當(dāng)μ>0.5時，就是擴(kuò)容。2025/10/982獲取全程試驗曲線的處理方法增加試驗機(jī)剛度

使用剛性試驗機(jī)，就沒有大量的應(yīng)變能貯存在試驗機(jī)內(nèi)，巖石在超過峰值強(qiáng)度破壞后就不會產(chǎn)生突發(fā)性破壞，這樣就能獲得峰后的變形、強(qiáng)度特征．為了減少在試驗過程中軟性(soft)試驗機(jī)的彈性變形及貯存在其中的變形能，就必須增加試驗機(jī)（鋼構(gòu)件、液壓柱）的剛度，為此出現(xiàn)了剛性試驗機(jī)(stifftestingmachine)．2025/10/983

采用液壓伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)能根據(jù)巖石破壞和變形情況控制變形速度，使變形速度保持為恒定值。伺服系統(tǒng)有一個反饋信號系統(tǒng)：檢查當(dāng)前施加的荷載是否保持事先確定的變形速度，否則會自動地調(diào)整施加的荷載，以保持變形速度的恒定。反饋信號響應(yīng)的時間為2-3μs,這個速度遠(yuǎn)大于裂隙傳播速度，因而即使出現(xiàn)過量荷載，裂隙還未來得及傳播，荷載就被減小了，巖石破壞得到有效控制。注意：對于特別堅硬的巖石，除采用帶有伺服系統(tǒng)的剛性試驗機(jī)外，施加一定的圍壓是必要的，可以使破壞后的巖石變形得到有效控制。2025/10/984（1）巖石的屈服應(yīng)力、抗壓強(qiáng)度、峰值時的極限應(yīng)變量、殘余強(qiáng)度值顯著增大；（2）隨圍壓增大，巖石的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)變：彈脆性→彈塑性→應(yīng)變硬化（見下頁）；二、巖石在三向壓應(yīng)力下的變形特性常規(guī)三軸壓縮試驗表明：有圍壓作用時，巖石的變形性質(zhì)與單軸壓縮時不盡相同。在三軸壓縮下，隨著圍壓的提高：2025/10/9851）圍壓為零或較低：—脆性狀態(tài)

2）圍壓50MPa：—塑性狀態(tài)3)圍壓68.5MPa—塑性流動4）圍壓165MPa

—應(yīng)變硬化現(xiàn)象

實例2025/10/986三、巖石的流變特性

蠕變：應(yīng)力恒定，巖石應(yīng)變隨時間增大所發(fā)生的變形（又稱為流變）。松馳：應(yīng)變恒定，巖石中的應(yīng)力隨時間減少，這種現(xiàn)象稱“松馳”。彈性后效：卸載時彈性應(yīng)變滯后于應(yīng)力的現(xiàn)象。巖石變形蠕變松弛彈性（可恢復(fù)）

塑性（不可恢復(fù)）與時間無關(guān)

與時間有關(guān)—流變2025/10/987Ⅱ特點：①應(yīng)變率為常量；②卸載：有瞬時彈性恢復(fù)，彈后，有不可恢復(fù)的永久變形。Ⅲ特點：①劇烈增加；②曲線；③一般此階段比較短暫。Ⅰ、初始蠕變階段（AB減速蠕變階段）Ⅱ、穩(wěn)定蠕變階段（BC等速蠕變階段）Ⅲ、非穩(wěn)定蠕變階段（蠕變破壞階段）Ⅰ特點：①有瞬時應(yīng)變（OA）；②，隨時間增長而減??；③卸載后，有部分瞬時彈性變形（PQ）恢復(fù)，接著產(chǎn)生彈性后效，變形逐漸恢復(fù)。（一）巖石的蠕變性質(zhì)1、典型的蠕變曲線（分三階段）2025/10/9882、長期強(qiáng)度的的確定方法(σ,ε,t)方法二方法一巖石強(qiáng)度隨外荷載作用時間延長而降低(相對于瞬時強(qiáng)度)，通常把作用時間t→∞的強(qiáng)度稱為巖石的長期強(qiáng)度長期強(qiáng)度的確定方法①由破壞σ-t關(guān)系曲線的水平漸近線獲t

∞的強(qiáng)度

②由蠕變試驗作等時(σ-ε)曲線獲t

∞的強(qiáng)度長時恒載蠕變破壞試驗曲線2025/10/989(1)立即松弛——變形保持恒定后，應(yīng)力立即消失到零，這時松弛曲線與σ軸重合，如曲線ε6。(2)完全松弛——變形保持恒定后，應(yīng)力逐漸消失，直到應(yīng)力為零，如曲線ε5、ε4。(3)不完全松弛——變形保持恒定后，應(yīng)力逐漸松弛，但最終不能完全消失，而趨于某一定值，如曲線ε3、ε2。(4)此外，還有一種極端情況：變形保持恒定后應(yīng)力始終不變，即不松弛，松弛曲線平行于t軸，如曲線ε1。（二）巖石的松弛性質(zhì)松弛特性可劃分為三種類型：返回2025/10/990第四節(jié)巖石的強(qiáng)度理論一、莫爾強(qiáng)度理論（Mohr1900年提出，莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則）（一）基本思想①以脆性材料（

鑄鐵）試驗數(shù)據(jù)（單、三）統(tǒng)計分析為基礎(chǔ)②由于剪應(yīng)力達(dá)到τf（取決于正應(yīng)力和材料特性）使巖石產(chǎn)生剪切破壞

莫爾極限應(yīng)力圓包絡(luò)線

（二）強(qiáng)度曲線—莫爾包絡(luò)線表達(dá)式：σ1σ32025/10/991材料破壞判別用莫爾包絡(luò)線判別材料的破壞2025/10/992①莫爾包絡(luò)線向應(yīng)力增大的方向開放，說明三向等壓應(yīng)力狀態(tài)下巖石不破壞；②受拉區(qū)閉合，說明受三向等拉應(yīng)力時巖石破壞；③單向抗拉區(qū)小于單向抗壓區(qū)；特點莫爾包絡(luò)線（多種形式）④沒有考慮中間主應(yīng)力σ2對巖石強(qiáng)度的影響；2025/10/993（2）破壞機(jī)理：（基本思想不一樣）材料屬于壓剪破壞，剪切破壞力的一部分用來克服與正應(yīng)力無關(guān)的粘聚力，使材料顆粒間脫離聯(lián)系；另一部分剪切破壞力用來克服與正應(yīng)力成正比的摩擦力，使面內(nèi)錯動而最終破壞。（3）數(shù)學(xué)表達(dá)式：

——內(nèi)摩擦系數(shù)（1）實驗基礎(chǔ)：巖土材料壓剪或三軸試驗。c——粘聚力（三）庫倫·莫爾強(qiáng)度理論（C·A·Coulomb準(zhǔn)則,1773年）庫侖·莫爾強(qiáng)度條件是莫爾準(zhǔn)則的一特例（擬合成直線）——簡潔、應(yīng)用簡便intrinsic2025/10/994破壞方向角θ破壞判定：

θσ1σ1n力的分解2θ2025/10/995（4）主應(yīng)力表示

（2-42）

由式（2-42）推出：（2-43）令稱為塑性指數(shù)；當(dāng)時，；（5）缺點：忽略了中間主應(yīng)力的影響（中主應(yīng)力對強(qiáng)度影響在15%左右）所以則2025/10/996三、格里菲斯準(zhǔn)則（Griffth1921）斷裂力學(xué)21年提出，70年代應(yīng)用于巖石力學(xué)領(lǐng)域（1）實驗基礎(chǔ)：玻璃材料中的微裂紋張拉擴(kuò)展，連接，貫通，最后導(dǎo)致材料破壞試驗。（2）基本思想：在脆性材料的內(nèi)部存在許多隨機(jī)分布的裂紋，在外力作用下，裂紋周圍、特別是裂紋尖端會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中有一個方向最有利于裂紋擴(kuò)展，當(dāng)超過材料的抗拉強(qiáng)度時，裂紋首先在該方向產(chǎn)生張拉擴(kuò)展。2025/10/997兩個關(guān)鍵點：1.最大應(yīng)力集中點（危險點）；2.最容易破壞的裂隙方向。在壓應(yīng)力條件下裂隙開裂及擴(kuò)展方向帶橢圓孔薄板的孔邊應(yīng)力集中問題示意圖2025/10/998①數(shù)學(xué)式

③Griffth準(zhǔn)則幾何表示

②最有利破裂的方向角（3）Griffth（張拉）準(zhǔn)則在坐標(biāo)下當(dāng)時，，即壓拉強(qiáng)度比為8。①②③④①②③2025/10/999Griffh準(zhǔn)則是針對玻璃等脆性材料提出來的，材料的破壞機(jī)理是拉伸破壞，因而只適用于脆性巖石的破壞，對于一般巖石材料，莫爾－庫侖準(zhǔn)則更適用。另外，在巖石力學(xué)中，還會遇到Drucker-Prager準(zhǔn)則、Hoek-Brown準(zhǔn)則和Mises準(zhǔn)則。返回2025/10/9100【作業(yè)】：1.測得某巖石中一點的最大主應(yīng)力σ1=61.2MPa，最小主應(yīng)力σ3=-9.1MPa，并且已知巖體的單軸抗拉強(qiáng)度為σt=-8.7MPa，內(nèi)聚力c＝50MPa，內(nèi)摩擦角φ＝57°，試分別基于莫爾強(qiáng)度和格里菲斯強(qiáng)度準(zhǔn)則判斷巖體破壞與否？2025/10/91011、在巖石單向抗壓強(qiáng)度試驗中，巖石試件高與直徑的比值h/d和試件端面與承壓板之間的磨擦力在下列哪種組合下，最容易使試件呈現(xiàn)錐形破裂。（）（A）h/d較大，磨擦力很小（B）h/d較小，磨擦力很大（C）h/d的值和磨擦力的值都較大（D）h/d的值和磨擦力的值都較小選擇題2025/10/91022、巖石的彈性模量一般指（）。（A）彈性變形曲線的斜率（B）割線模量（C）切線模量（D）割線模量、切線模量及平均模量中的任一種3、巖石的割線模量和切線模量計算時的應(yīng)力水平為（）。（A）(B)（C）(D）2025/10/91034、由于巖石的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于它的抗拉強(qiáng)度，所以巖石屬于（）。（A）脆性材料（B）延性材料（C）堅硬材料（D）脆性材料，但圍壓較大時，會呈現(xiàn)延性特征5、剪脹（或擴(kuò)容）表示（）。（A）巖石體積不斷減少的現(xiàn)象（B）裂隙逐漸閉合的一種現(xiàn)象（C）裂隙逐漸漲開的一種現(xiàn)象（D）巖石的體積隨壓應(yīng)力的增大逐漸增大的現(xiàn)象2025/10/91046、剪脹（或擴(kuò)容）發(fā)生的原因是由于（）（A）巖石內(nèi)部裂隙閉合引起的（B）壓應(yīng)力過大引起的（C）巖石的強(qiáng)度大小引起的（D）巖石內(nèi)部裂隙逐漸張開的貫通引起的7、巖石的抗壓強(qiáng)度隨著圍巖的增大（）。（A）而增大（B）而減小（C）保持不變（D）會發(fā)生突變8、劈裂試驗得出的巖石強(qiáng)度表示巖石的（）。（A）抗壓強(qiáng)度（B）抗拉強(qiáng)度（C）單軸抗拉強(qiáng)度（D）剪切強(qiáng)度2025/10/91059、格里菲斯強(qiáng)度準(zhǔn)則不能作為巖石的宏觀破壞準(zhǔn)則的原因是（）。（A）它不是針對巖石材料的破壞準(zhǔn)則（B）它認(rèn)為材料的破壞是由于拉應(yīng)力所致（C）它沒有考慮巖石的非均質(zhì)特征（D）它沒有考慮巖石中的大量伸長裂隙及其相互作用10、巖石的吸水率是指（）。（A）巖石試件吸入水的重量和巖石天然重量之比（B）巖石試件吸入水的重量和巖石干重量之比（C）巖石試件吸入水的重量和巖石飽和重量之比（D）巖石試件天然重量和巖石飽和重量之比2025/10/910612、當(dāng)巖石處于三向應(yīng)力狀態(tài)且比較大的時候，一般應(yīng)將巖石考慮為（）。（A）彈性體（B）塑性體（C）彈塑性體（D）完全彈性體13、在巖石抗壓強(qiáng)度試驗中，若加荷速率增大，則巖石的抗壓強(qiáng)度（）。（A）增大（B）減?。–）不變（D）無法判斷2025/10/910714、按照庫侖—莫爾強(qiáng)度理論，若巖石強(qiáng)度曲線是一條直線，則巖石破壞時破裂面與最大主應(yīng)力作用方向的夾角為（）。（A）45°（B）（C）（D）60°15、在巖石的含水率試驗中，試件烘干時應(yīng)將溫度控制在（）。（A）95~105℃（B）100~105℃（C）100~110℃（D）105~110℃16、按照格理菲斯強(qiáng)度理論，脆性巖體破壞主要原因是（）。（A）受拉破壞（B）受壓破壞（C）彎曲破壞（D）剪切破壞

2025/10/910817、在缺乏試驗資料時，一般取巖石抗拉強(qiáng)度為抗壓強(qiáng)度的（）（A）1/2~1/5（B）1/10~1/50（C）2~5倍（D）10~50倍

18、某巖石試件相對密度ds=2.60，孔隙比e=0.05，則該巖石的干密度ρd為（）（A）2.45（B）2.46（C）2.47（D）2.4819、下列研究巖石彈性、塑性和粘性等力學(xué)性質(zhì)的理想力學(xué)模型中，哪一種被稱為凱爾文模型？（）

2025/10/9109（A）彈簧模型（B）緩沖模型（C）彈簧與緩沖器并聯(lián)（D）彈簧與緩沖器串聯(lián)20、格里菲斯準(zhǔn)則認(rèn)為巖石的破壞是由于（）。（A）拉應(yīng)力引起的拉裂破壞（B）壓應(yīng)力引起的剪切破壞（C）壓應(yīng)力引起的拉裂破壞（D）剪應(yīng)力引起的剪切破壞

2025/10/9110

參考答案1、B2、D3、B4、D5、D6、D7、A8、B9、D10、B11、A12、B13、A14、C15、D16、A17、B18、D19、C20、A返回2025/10/9111第三章巖體的力學(xué)特性本章內(nèi)容3.1概述3.2巖體結(jié)構(gòu)基本類型；3.3巖體的結(jié)構(gòu)面及其自然特征；3.4結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)3.5巖體的變形性質(zhì)3.6巖體的強(qiáng)度特性3.7巖體的水力學(xué)性質(zhì)3.8巖體質(zhì)量評價及其分類基本要求了解巖體結(jié)構(gòu)的基本類型，理解巖體結(jié)構(gòu)面特征；掌握結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)及巖體的變形性質(zhì)；理解巖體的強(qiáng)度特性，了解巖體的水力學(xué)性質(zhì)；掌握巖體質(zhì)量評價及其分類方法；第三章巖體的力學(xué)性質(zhì)第一節(jié)概述第二節(jié)巖體結(jié)構(gòu)的基本類型第三節(jié)巖體的結(jié)構(gòu)面及其自然特征第四節(jié)結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)第五節(jié)巖體的變形性質(zhì)第六節(jié)巖體的強(qiáng)度特性第七節(jié)巖體的水力學(xué)性質(zhì)第八節(jié)巖體質(zhì)量評價及其分類主要內(nèi)容

巖體=結(jié)構(gòu)面（弱面）+結(jié)構(gòu)體（巖石塊體）結(jié)構(gòu)面：斷層、褶皺、節(jié)理……統(tǒng)稱影響巖體力學(xué)性質(zhì)的基本因素：結(jié)構(gòu)體(巖石)力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)和環(huán)境因素(特別是水和地應(yīng)力的作用)§3.1概述§3.2巖體結(jié)構(gòu)的基本類型

（地質(zhì)學(xué)、復(fù)習(xí)、了解）§3.3巖體中的結(jié)構(gòu)面及自然特征次生結(jié)構(gòu)面§3.3.1結(jié)構(gòu)面類型（自學(xué)、了解、提問）火成結(jié)構(gòu)面沉積結(jié)構(gòu)面變質(zhì)結(jié)構(gòu)面成因及類型原生結(jié)構(gòu)面構(gòu)造結(jié)構(gòu)面斷層節(jié)理劈理§3.3.2結(jié)構(gòu)面的自然特征1.充填膠結(jié)特征幾何形態(tài)特征有充填無充填薄膜充填（2mm以下）斷續(xù)充填連續(xù)充填厚層充填（數(shù)十厘米至數(shù)米）平直型波浪型鋸齒型臺階型凹凸度（量化指標(biāo)）起伏度（起伏角i)粗糙度(五級）2.3.空間分布特征

產(chǎn)狀（即方位）及其變化延展性密集程度組合關(guān)系結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀及其變化：結(jié)構(gòu)面的走向與傾向及其變化結(jié)構(gòu)面的延展性：結(jié)構(gòu)面在某一方向上的連續(xù)性或結(jié)構(gòu)面連續(xù)段長短的程度。分為非貫通性的、半貫通性及貫通性的結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面的密集程度

設(shè)取樣線長度為l

，在l上出現(xiàn)的節(jié)理條數(shù)為n，則節(jié)理之間的平均間距為裂隙度K切割度Xe20m實例：k=4/20=0.2/md=1/k=5ma.單組節(jié)理(具有同一走向）（1）裂隙度K:同一組結(jié)構(gòu)面沿法線方向單位長度上的節(jié)理數(shù)量ld>180cm整體結(jié)構(gòu)d=30~180塊狀結(jié)構(gòu)d<30破裂結(jié)構(gòu)d<6.5極破裂結(jié)構(gòu)

K=0~1/m疏節(jié)理K=1~10/m密節(jié)理K=10~100/m很密節(jié)理K=100~1000/m糜棱節(jié)理

按間距分類按裂隙度分類

兩組節(jié)理的裂隙度計算圖b.兩組節(jié)理ma:

沿取樣線節(jié)理平均間距;da:節(jié)理垂直間距；c.多組節(jié)理（2）切割度Xe：節(jié)理在巖體內(nèi)的貫通程度。多處不連續(xù)切割疊加：假設(shè)在巖體中取一平直斷面，總截面積為A，其中被節(jié)理面切割的面積為a；則切割度為§3.4結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)

法向變形切向變形

變形性質(zhì)強(qiáng)度性質(zhì)(一）法向變形1.變形特性

在法向荷載作用下，結(jié)構(gòu)面間隙呈非線性減小，應(yīng)力與法向變形呈指數(shù)關(guān)系。(原因）

當(dāng)荷載去除時，將引起明顯的后滯和非彈性效應(yīng)。

Kn－法向變形剛度

Kn0－結(jié)構(gòu)面的初始剛度趨勢：σn

↑

，Kn↑（Goodman,1974）Goodman方法：①節(jié)理無抗拉強(qiáng)度②極限閉合量δmax＜e（節(jié)理的厚度）（1）基本假設(shè)（2）狀態(tài)方程2.閉合變形量計算：－原始應(yīng)力，由測量時的初始條件決定；δn,δmax－結(jié)構(gòu)面閉合量，最大閉合量;A,t－回歸參數(shù)，與結(jié)構(gòu)面幾何特征、巖石力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。（二）節(jié)理的切向變形通常有兩種形式：A）粗糙（或非充填）結(jié)構(gòu)面剪切變形曲線；B）平坦（或有充填物）的結(jié)構(gòu)面區(qū)別及原因見下頁力學(xué)模型結(jié)構(gòu)面的剪切變形:與巖石強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面粗糙性和法向力有關(guān)法向力不足夠大沿凸臺斜面滑動剪脹（或擴(kuò)容）法向力足夠大沿凸臺剪斷不產(chǎn)生明顯剪脹

（三）抗剪強(qiáng)度

i服從庫侖準(zhǔn)則:影響抗剪強(qiáng)度的三個基本因素：法向力σn粗糙度JRC結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度JCS結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度公式（Barton和choubey,1977)：粗糙度JRC（目測）分維數(shù)§3.5巖體的變形性質(zhì)法向變形特征剪切變形特征各向異性變形特性巖體的變形（一）法向變形特征：1.法向變形試驗：承壓板法、鉆孔變形法、狹縫法、1）承壓板法選具有代表性的試驗地點清除浮石，平整巖面逐級一次循環(huán)法加壓巖體變形模量Em和彈性模量Eme公式：

p－承受板單位面積上的壓力(MPa)；

D－承壓板直徑或邊長(cm)；

?、?

e－相應(yīng)于p下的巖體總變形和彈性變形（cm）；

ω－與承壓板形狀與剛度有關(guān)的系數(shù)，對圓形板＝0.785；方形板＝0.886；

μm－巖體的泊松比。(J.Boussineq)2）鉆孔變形法巖體的變形模量（Em）計算公式：U－徑向變形μm－巖體的泊松比;厚壁圓筒理論對巖體擾動較??；可在地下水位以下和相當(dāng)深的部位進(jìn)行；試驗方向基本不受限制，試驗壓力大；可以同時測量幾個方向的變形，便于研究各向異性；優(yōu)點（相對于承壓板法來說）：缺點：涉及的巖體體積小，代表性差。3）狹縫法：p－作用于槽壁上的壓力（MPa）；?－量測點A1、A2的相對位移值(cm)，?=y2-y1。

μm－巖體的泊松比;2.法向變形曲線及特征：（1）直線型（彈性巖體）巖性均勻且結(jié)構(gòu)面不發(fā)育或結(jié)構(gòu)面分布均勻的巖體（2）上凹型（塑-彈性巖體）含軟弱夾層的層狀巖體及裂隙巖體（3）上凸型（彈-塑性巖體）結(jié)構(gòu)面發(fā)育且有泥質(zhì)充填的巖體。（4）復(fù)合型：階梯或“S”型（塑-彈-塑性巖體)結(jié)構(gòu)面發(fā)育不均或巖性不均勻的巖體。（二）剪切變形特征：峰前變形平均斜率小，破壞位移大；峰后強(qiáng)度損失小。(a)沿軟弱結(jié)構(gòu)面剪切峰前變形平均斜率較大，峰值強(qiáng)度較高；峰后有明顯應(yīng)力降。(b)沿粗糙結(jié)構(gòu)面、軟弱巖體及強(qiáng)風(fēng)化巖體剪切峰前變形斜率大，峰值強(qiáng)度高，破壞位移?。环搴髿堄鄰?qiáng)度較低。(c)堅硬巖體受剪切（三）各向異性變形特征：（P101蔡）造成巖體變形各向異性的兩個基本因素：①物質(zhì)成分和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方向性；②節(jié)理、結(jié)構(gòu)面和層面的方向性。巖石的全部或部分物理、力學(xué)特性隨方向不同而表現(xiàn)出差異的現(xiàn)象稱為巖石的各向異性?！?.6巖體的強(qiáng)度特性§3.6.1巖體強(qiáng)度的測定（一）巖體單軸抗壓強(qiáng)度的測定圖3-24巖體單軸抗壓強(qiáng)度測定1－方木；2－工字鋼；3－千斤頂；4－水泥砂漿現(xiàn)場原位切割較大尺寸試體（邊長0.5～1.5m的立方體）；為了保持原有的力學(xué)條件，試塊附近不能爆破，機(jī)械破巖。千斤頂和液壓枕（扁千斤頂）加載。水泥砂漿抹平試體表面→墊方木、工字鋼→加載→計算強(qiáng)度試件（二）巖體抗剪強(qiáng)度的測定雙千斤頂法：1.正壓力P和橫推力T的合力通過剪切面中心。3.試驗5組以上2.橫推千斤頂成15°角傾斜布置。計算公式：

P、T－垂直及橫向千斤頂施加的荷載；

S－試體受剪截面積。（三）巖體三軸強(qiáng)度試驗地下工程的受力狀態(tài)是三維的，所以三軸力學(xué)試驗非常重要。千斤頂加軸向荷載壓力枕加圍壓荷載準(zhǔn)三軸（等圍壓）：實用性更強(qiáng)。圖3-26原位巖體三軸試驗1一混凝土頂座；2、4、6－墊板；3一頂柱；5一球面墊；7一壓力枕；8一試件；9一液壓表；10一液壓枕真三軸：中間主應(yīng)力在巖體強(qiáng)度中起著重要作用，在多節(jié)理巖體中尤為重要。試體

§3.6.2結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度效應(yīng)

一、單節(jié)理和多節(jié)理的力學(xué)效應(yīng)（一）單節(jié)理的力學(xué)效應(yīng)設(shè)結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度條件設(shè)節(jié)理的方向角為β節(jié)面上的應(yīng)力(圖）

①當(dāng)

（巖石塊體破壞，結(jié)構(gòu)面不破壞）②當(dāng)節(jié)理面的存在不削弱巖塊強(qiáng)度③對

求一階導(dǎo)數(shù)，并令其為零得

此時節(jié)理面對巖體的強(qiáng)度削弱最大并令得：

當(dāng)可能結(jié)構(gòu)面破壞

巖石節(jié)理同時破壞，巖體強(qiáng)度等于巖塊強(qiáng)度巖塊先破壞，巖體強(qiáng)度等于巖塊強(qiáng)度或節(jié)理先破壞，巖體強(qiáng)度小于巖塊強(qiáng)度

或圖解法:

直接在圖2－20量??；也可以由正弦定律推出：(見圖2－20）（二）多節(jié)理的力學(xué)效應(yīng)（疊加）

兩組以上的節(jié)理同樣處理，只不過巖體總是沿一組最有利破壞的節(jié)理首先破壞。圖3－21兩組節(jié)理力學(xué)模型圖3－20σ1與β的關(guān)系曲線二、當(dāng)C=0時節(jié)理面的力學(xué)效應(yīng)這時庫侖準(zhǔn)則用主應(yīng)力表示上式，得：

已知σ1,由上式可計算出維持破裂巖體極限穩(wěn)定的側(cè)向壓力σ3，即巖體所需的最小支護(hù)力此時巖體的強(qiáng)度只靠碎塊之間的摩擦力來提供。

3.7巖體的水力學(xué)性質(zhì)巖體的水力學(xué)性質(zhì)：巖體與水共同作用所表現(xiàn)出來的力學(xué)性質(zhì)。巖體與水的相互作用，一方面水改變著巖體的物理、化學(xué)及力學(xué)性質(zhì)，另一方面巖石也改變著地下水自身的物理、力學(xué)性質(zhì)及化學(xué)組份。地下水對巖體的作用物理作用化學(xué)作用力學(xué)作用（一）物理作用：巖體結(jié)構(gòu)面上的摩阻力減小改變巖體結(jié)構(gòu)面充填物的物理性狀，內(nèi)聚力和摩擦角減小?！浕禂?shù)η區(qū)別于重力水的潤滑，軟化作用。（二）化學(xué)作用：離子交換、溶解和溶蝕作用（黃土濕陷及巖溶）、水化作用（膨脹巖的膨脹）、水解作用、氧化還原作用、沉淀作用以及超滲透作用等。潤滑作用：軟化和泥化作用：結(jié)合水的強(qiáng)化作用：泥石流、山體滑坡（三）力學(xué)作用：孔隙靜水壓力作用孔隙動水壓力作用

當(dāng)多孔連續(xù)介質(zhì)巖土體中存在孔隙地下水時，未充滿孔隙的地下水使巖土體的有效應(yīng)力增加：σα有效應(yīng)力，σ

總應(yīng)力，p

孔隙靜水水壓力

當(dāng)?shù)叵滤錆M多孔連續(xù)介質(zhì)巖土體時，使有效應(yīng)力減小：σα，σ

，p

：含義同上當(dāng)多孔連續(xù)介質(zhì)巖土體中充滿流動的地下水時，施加孔隙靜水壓力和動水壓力作用，其中，動水壓力為：τd

動水壓力，γ地下水容重，J地下水水力坡度

當(dāng)裂隙巖體充滿流動的地下水時，施加一垂直于裂隙壁面的靜水壓力和平行于裂隙壁面的動水壓力，其中，動水壓力為：b：裂隙的隙寬，τd

，γ，J意義同上

3.8巖體質(zhì)量評價及其分類為了在工程設(shè)計與施工中能區(qū)分出巖體質(zhì)量的好壞和表現(xiàn)在穩(wěn)定性上的差別，需要對巖體作合理的分類，以作為選擇工程結(jié)構(gòu)參數(shù)、科學(xué)管理生產(chǎn)以及評價經(jīng)濟(jì)效益的依據(jù)之一。（一）普氏分級法：f=σc/10常沿用但具有嚴(yán)重局限性。(二）巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD分類(笛爾Deer，1964)：RQD＜2525～5050～7575～90＞90巖石質(zhì)量描述很差差一般好很好等級IIIIIIIVVRockQualityDesignation:沒反映出節(jié)理的方位、充填物的影響等，在更完備的巖體分類中作重要參數(shù)應(yīng)用。不足：（三）巖體地質(zhì)力學(xué)分類（CSIR分類,P56）CSIR分類指標(biāo)值RMR(RockMassRating)：南非科學(xué)和工業(yè)研究委員會(CouncilforScientificandIndustrialResearch)提出。分類時，根據(jù)表3-6得RMR初值P57,然后據(jù)節(jié)理、裂隙的產(chǎn)狀變化按表3-7和表3-8對RMR初值修正，最后對照表3-9求得巖體的類別。由巖塊強(qiáng)度、RQD值、節(jié)理間距、節(jié)理條件及地下水5種指標(biāo)組成。不足：對擠壓、膨脹和涌水的極其軟弱的巖體問題時，此分類法難于使用。（四）巴頓巖體質(zhì)量分類（Q類）：由挪威地質(zhì)學(xué)家巴頓(Barton，1974)等人提出

RQD：Deer的巖石質(zhì)量指標(biāo)；Jn:節(jié)理組數(shù)；Jr:節(jié)理粗糙度系數(shù)；Ja:節(jié)理蝕變影響系數(shù)；Jw:節(jié)理水折減系數(shù)；SRF——應(yīng)力折減系數(shù)。Bieniawski(1976)：表3-10巖體質(zhì)量Q值分類表Q值＜0．010．01~0.10．1~1.01．0~4.04．0~1010~4040~100100~400＞400巖體類型特別壞異常差極壞極差壞很差不良差中等一般好好良好很好極好極好特別好異常好定性與定量相結(jié)合，目前比較好的巖體分類方法，軟、硬巖體均適用。（五）巖體BQ分類第一步：根據(jù)BQ初步分為5級（考慮了巖體的堅硬程度和完整性）國標(biāo)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》GB50218-94提出兩步分級法Rcw為巖體飽和單軸抗壓強(qiáng)度（MPa）；Kv為巖體的完整性系數(shù)；（可用聲波測試資料或結(jié)構(gòu)面條數(shù)來確定）第二步：考慮其他因素影響，對BQ進(jìn)行修正后詳細(xì)分級K1：主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)，表3-15

K2：地下水影響修正系數(shù)，表3-16K3：天然應(yīng)力影響修正系數(shù)，表3-17（六）按巖體結(jié)構(gòu)類型分類（中科院地質(zhì)所，谷德振）：某巖塊強(qiáng)度符合庫侖準(zhǔn)則，C=5MPa,

=300。如果三軸應(yīng)力狀態(tài)下的3=10MPa保持常數(shù)，求極限平衡時1

若此時1和3分別鉛直和水平，巖塊內(nèi)有一條節(jié)理。節(jié)理的C=0，

=300。節(jié)理與水平傾角或為300（或450、或600、750、900），問以上情況中：在何種情況下節(jié)理不破壞，僅巖塊破壞？在何種情況下節(jié)理不破壞，僅節(jié)理破壞，或節(jié)理和巖塊都破壞，且?guī)r塊破壞面與節(jié)理面重合？在何種情況下，節(jié)理與巖塊都破壞，但巖塊破裂面與節(jié)理面不重合？作業(yè)：第四章

地應(yīng)力及其測量基本要求1．掌握初始應(yīng)力的概念，了解構(gòu)造應(yīng)力的概念，掌握自重應(yīng)力的計算方法；2．了解原巖應(yīng)力的一般規(guī)律及影響原巖應(yīng)力分布的因素；3．了解地應(yīng)力的實測方法。第四章地應(yīng)力及其測量§4.1概述地應(yīng)力:指巖體在天然狀態(tài)下所存在的內(nèi)應(yīng)力,通常又稱為原巖應(yīng)力、初始應(yīng)力。與此相對應(yīng)，受井巷開挖、礦產(chǎn)資源開采等工程影響，在影響范圍(3-5R0)以內(nèi)的原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞后的應(yīng)力稱為次生應(yīng)力或誘發(fā)應(yīng)力。這一轉(zhuǎn)換過程稱為應(yīng)力重分布。

1.地應(yīng)力定義2.研究地應(yīng)力的重要性地應(yīng)力是各種巖石工程變形和破壞的根本作用力；是影響巖石開挖工程穩(wěn)定性的最重要最根本的因素之一；是進(jìn)行大規(guī)?？茖W(xué)計算分析，實現(xiàn)開挖設(shè)計和決策科學(xué)化的必要前提條件。同時，地應(yīng)力狀態(tài)對地震預(yù)報、區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價、油田油井的穩(wěn)定性、核廢料儲存、巖爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球動力學(xué)的研究等也具有重要意義。3.地應(yīng)力認(rèn)識簡史

1912年瑞士地質(zhì)學(xué)家海姆（A.Heim），根據(jù)大量實際施工觀測和分析，首次提出地應(yīng)力概念，并假定地應(yīng)力是一種靜水應(yīng)力狀態(tài)。σh－水平應(yīng)力；σv－垂直應(yīng)力；γ－上覆巖層重量；H－深度

1926年，蘇聯(lián)學(xué)者金尼克修正了地應(yīng)力靜水壓力架設(shè)，認(rèn)為地殼中各點的垂直應(yīng)力等于上覆巖層的重量，而側(cè)向應(yīng)力(水平應(yīng)力）是泊松效應(yīng)的結(jié)果，應(yīng)乘以一個修正系數(shù)λ。即其中，λ為側(cè)壓系數(shù)υ－上覆巖層泊松比

早在20世紀(jì)20年代，我國地質(zhì)學(xué)家李四光就指出：“在構(gòu)造應(yīng)力的作用僅影響地殼上層一定厚度的情況下，水平應(yīng)力分量的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過垂直應(yīng)力分量?！?/p>

1958年，瑞典工程師哈斯特(N．Hast)在斯堪的納維亞半島進(jìn)行地應(yīng)力測量工作時發(fā)現(xiàn)：在地殼上部的最大主應(yīng)力幾乎處處是水平或接近水平的，最大水平主應(yīng)力一般為垂直應(yīng)力的1—2倍以上；在某些地表處，測得的最大水平應(yīng)力高達(dá)7MPa，從根本上動搖了靜水壓力理論和以垂直應(yīng)力為主的觀點。

后期研究進(jìn)一步表明：重力作用和構(gòu)造運動是引起地應(yīng)力的主要原因，其中尤以水平方向的構(gòu)造運動對地應(yīng)力的形成影響最大。當(dāng)前的地應(yīng)力狀態(tài)主要由最近的一次構(gòu)造運動所控制，但也與歷史上的構(gòu)造運動有關(guān)。地應(yīng)力場還受到其他多種因素的影響，造成地應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性和多變性，因而，只有通過對某點進(jìn)行地應(yīng)力實測才能了解該地的地應(yīng)力狀態(tài)?！?.2地應(yīng)力的成因(1)大陸板塊邊界受壓引起的應(yīng)力場(2)由地心引力引起的應(yīng)力場(3)地幔熱對流引起的應(yīng)力場(4)巖漿侵入引起的應(yīng)力場(5)地溫梯度引起的應(yīng)力場(6)地表剝蝕產(chǎn)生的應(yīng)力場地應(yīng)力主要成分：自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力(1)自重應(yīng)力場豎直方向、普遍存在，可以計量(與深度成線性關(guān)系)

在25~2700m范圍內(nèi)：

v=

H(H/m，平均容重≈27kN/m3)(2)構(gòu)造應(yīng)力場

1)成因（有增有減）：